农村光伏发电系统的控制模式研究

邱 实，王国英，金 赓，马玉峰

（国网锦州供电公司，辽宁 锦州 121001）

农村光伏发电系统的控制模式研究

邱 实，王国英，金 赓，马玉峰

（国网锦州供电公司，辽宁 锦州 121001）

通过对农村用电特点及农村配电系统存在的问题进行分析，给出了适合于农村配电系统的3种光伏发电系统控制模式。最大功率跟踪模式可缓解农村电网供电能力薄弱状况，电压调节模式可改善农村电网电压偏低问题，无功补偿模式可降低农村电网电能损耗。

光伏发电系统；农村配电系统；电能质量；电能损耗

我国农村用电不同于城镇居民用电，与一般工业用电也不同，具有其自身特点。一般来讲，可以分为居民生活用电、农副产品加工和农业排灌用电等，其昼夜、气候、季节等用电变化较大，且不均衡。随着经济发展和农村居民生活水平日益提高，家用电器不断增加，其用电量日益增多。在这种情况下，网络供电能力愈显不足，电压水平偏低，电能损耗严重，尽管进行多次改造，当前的电力设备仍然无法满足居民不断攀升的用电需求。

随着新能源的不断开发应用，风力发电、太阳能发电、地热发电等新能源发电方式逐渐进入农村，我国太阳能资源较为丰富，尤其是农村地区有着十分辽阔的太阳能光照面积，为光伏发电系统在农村地区的应用提供了便利条件，光伏发电系统接入农村配电网将是未来农村配电系统的发展方向，同时能带动广大农村地区的经济发展［1］。

本文在深入分析我国农村配电系统的供电特点基础上，指出当前存在的主要问题，利用光伏发电系统控制灵活的特点，给出了农村光伏发电系统3种控制模式，对解决农村电网的问题进行有益探索。

1 农村配电系统存在的主要问题

1.1 供电能力比较薄弱

农村地广人稀，用电负荷比较分散，直接导致配电网覆盖面积较大，又考虑到设备利用率，所以变电站较少，造成配线距离较长，农村10 kV线路供电半径超过15km是非常常见的，且导线截面过小，线路老化，严重影响农村地区的电能供应。我国农村配电线路大多建设于农网改造时期，由于当时技术与经济条件的制约，线路选型标准较低（很多地区为单相供电），导致部分农村线路经过长期过载运行，老化严重。随着用电负荷增加，供电区域面积不断外扩，但原有变压器位置大多没有改变，致使电力变压器远离负荷中心［2］；我国的农网改造工程尽管在一定程度上提高了农村配电系统的供电能力，但仍然无法满足日益增长的负荷需求和越来越高的电压质量要求。

1.2 电能质量较差

由于配电线路和设备等技术原因，造成电压质量较差，低电压现象时有发生。电力负荷分散、线路长、线径小，这些因素直接导致线路电压损失增加，使得用户的电压水平偏低；变压器的供电范围大，造成负荷距离变压器的距离有远有近，变压器的电压调整无法满足不同距离的负荷需求；随着电冰箱、空调等大量单相用电设备的普及应用，农村单相用电负荷急剧增加，三相负荷的不平衡引起三相电压的不平衡，重负荷相的电压损失较大，低压电网三相负荷严重不平衡，最终导致客户端电压质量下降［3－4］；变压器布置不合理问题也导致三相负荷的严重不平衡；无功补偿装置建设严重滞后，普遍存在无功补偿容量不足或不合理等问题，直接影响用户的电压质量。

1.3 电能损耗较大

线路与变压器的电能损耗与其流过电流的平方成正比，与其电阻成正比。农村供电系统电能损耗大的原因主要有：当三相负荷平衡时，系统的损耗最小，大量单相负荷的接入，直接导致三相系统不平衡；地广人稀，负荷分散，导致电力线路较长，变压器供电距离较远；无功补偿不足和不合理投切，使大量无功功率在线路中流动等。以上诸多因素直接导致农村地区的电能损耗较大。

2 农村光伏发电系统的控制模式

本文将农村光伏发电系统的控制模式分为最大功率跟踪模式、电压调节模式和无功补偿模式3种，其中最大功率跟踪模式属于有功控制模式，电压调节模式和无功补偿模式属于无功控制模式。

2.1 最大功率跟踪模式

有功最大功率跟踪模式指光伏发电系统以跟踪光伏电池的最大输出功率为目的的工作模式，此时逆变器按照最大功率输出进行控制，输出功率的利用效率实现最大化［5－6］。该模式的光伏发电系统可采用扰动观察法进行最大功率点跟踪，进而控制能量转换装置实现电能转换。太阳能光伏电池在外界条件不变情况下的I－U特性曲线如图1所示。图1中Pm为光伏电池的最大功率点，通过控制光伏电池的电压及输出电流，使其工作在该点处，即可实现光伏电池的最大功率输出。

目前，对于实现最大功率跟踪，应用最广泛的方法是扰动观察法。该方法根据其自适应性的闭环控制原理，通过调整功率开关来控制光伏电池的输出电压，使输出功率达到最大。扰动观察法实现最大功率跟踪的流程如图2所示。

2.2 电压调节模式

图1 光伏电池的I－U特性曲线

图2 扰动观察法流程

对并网光伏发电系统并网点电压和当前时刻的无功功率检测，可以通过无功功率对配电网上的电压进行调节，实现电压—无功功率的下垂控制［7］。

根据电网电压和无功功率的特性曲线，得到V－Q特性方程如下：

式中：Vref为标准参考电压，V；V为逆变器输出电压，V；Kq为V－Q下垂特性系数；Qref为无功功率参考值，kvar。

通过对光伏发电系统并网电压和并网电流的检测，可以同时实现电网频率和瞬时功率的采样，有功—无功解耦的2个控制参量设定值均由V－Q特性方程求得。

2.3 无功补偿模式

无功补偿是保证系统经济运行的一种有效手段，是降低网络损耗，提高电力系统电能质量的重要措施之一。在传统的农村电网无功补偿中，主要是以电力电容器作为无功补偿设备。随着光伏并网发电技术的发展及应用，使其具有一定的无功输出和调控能力。农村电力网无功补偿宜就近设立无功电源供给用户以补偿无功负荷，以减少农村电力网输送的无功功率。光伏发电系统采用恒功率因数闭环控制系统，实现无功补偿控制模式。根据配电网实际无功情况，实现分相检测三相功率因数，控制光伏发电系统的无功输出，为配电系统提供适当的无功功率，满足电网对无功功率的需求，提高系统的功率因数，有效降低网络损耗，改善电能质量，提高系统运行经济性。

3 控制模式应用

3.1 有功控制模式

光伏发电系统可作为有功电源，其最大功率跟踪模式能最大限度地从光伏电池吸取太阳能进行发电，为用户就近提供有功电能，减轻电网供电负担，缓解我国农村电网供电能力薄弱的问题。因此，最大功率跟踪模式应该成为农村光伏发电系统的唯一有功控制模式。

3.2 无功控制模式

合理调整电力系统的无功分布，可以改善系统的电能质量。当电网的电压水平较低时，需要无功支撑以提高电力系统的电压，当电压水平较高时，需要减少系统的无功电源。而光伏发电系统电压调节模式的下垂特性与电力系统的无功电压需求相一致，可以合理调节系统运行电压，有效解决农村电网电压水平偏低的问题。因此，当系统电压偏低时，农村光伏发电系统的无功控制模式应采用具有无功电压下垂特性的电压调节模式，以维持系统电压水平，改善电能质量。

当系统电压水平适当时，合理进行无功补偿，减少无功功率的流动，减小线路中流过的电流，可以有效减少网络损耗。因此，当配电系统电压满足需求时，农村光伏发电系统的无功控制模式应采用无功补偿模式，实现无功的合理配置，提高功率因数，降低网络损耗。

4 结束语

通过对农村负荷特点及农村配电系统现状分析，给出3种适合农村配电系统的光伏发电系统的控制模式。农村光伏发电系统有功控制应采用最大功率跟踪模式，以提高光伏电源利用率；当系统电压偏低时，无功控制模式应采用具有无功电压下垂特性的电压调节模式，以维持系统电压水平，改善电能质量；当系统电压满足要求时，无功控制模式应采用无功补偿模式，以降低网络损耗。

［1］张燕妮.浅谈光伏发电的方案设计［J］.东北电力技术，2014，35（2）：34－36.

［2］尚志高.农村居民用电负荷分析与预测［J］.河南电力，2015，42（2）：12－15.

［3］杜 宏.关于农村新能源微电网建设的研究［J］.电气技术，2015，16（12）：115－118.

［4］侯树文，孔卫星，贾利岭，等.基于光伏发电的农村电网末端电压支撑技术结构［J］.华北水利水电学院学报，2010，31（6）：98－100.

［5］赵 璐，张立颖，李天立，等.光伏并网发电系统逆变器的研究［J］.东北电力技术，2014，35（12）：20－23.

［6］李 媛，彭方正.Z源／准Z源逆变器在光伏并网系统中的电容电压恒压控制策略［J］.电工技术学报，2011，26（5）：62－69.

［7］吕 川.单相双模式逆变器控制及其切换方法研究［D］.武汉：武汉科技大学，2015.

Study on Control Models of Rural Photovoltaic Power Generation System

QIU Shi，WANG Guoying，JIN Geng，MA Yufeng
（State Grid Jinzhou Power Electric Supply Company，Jinzhou，Liaoning 121001，China）

This paper analyzes the characteristics of rural electricity consumption and problems existing in rural power distribution sys⁃tem.Three control models of photovoltaic system which is fit for rural power distribution system are given.MPPT model can alleviate the weak power supply capacity.Voltage regulation model can improve low voltage.Reactive compensation model can reduce the power loss.

photovoltaic system；rural power distribution system；power quality；power loss

TM615

A

1004－7913（2016）12－0044－03

邱 实（1978），男，学士，变电专业技师，主要研究方向为电力系统设备维护、光伏发电。

2016－09－17）